（环境工程专业论文）电力建设中冲管噪声消声装置的分析与研究.pdf

摘要 火力发电项目建设施工过程中，锅炉冲管工艺可产生噪声，尤其冲管工艺 流程末端高压蒸汽排空可产生巨大的噪声。因此，研究电力建设中冲管噪声的 消声装置具有重要意义。本文针对锅炉冲管噪声的特点，应用有限元分析软件 a n s y s 的声学分析模块对电力建设中冲管噪声消声装置进行了流体动力学分析 和声学分析，提出了采用小孔消声装置进行噪声源的控制方案，自行设计并制 造了冲管噪声消声装置，并对消声效果进行了现场测试，结果表明，本文设计 的消声装置大大降低了冲管噪声，取得了很好的经济效益和社会效益。 关键词：冲管噪声，消声装置，声学，流体动力学，有限元分析 a b s t r a c t i nt h ec o n s t r u c t i o no ft h et h e r m a lp o w e rp l a n t ，t h en o i s ew i l lb em a d ed u r i n gt h ew a s h i n g p i p e ，e s p e c i a l l yt h en o i s ei sl a g e rw h e nt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r es t e a mf r e e l y v e n t st os k y s o ，i ti si m p o r t a n tt h a tt h i sp a p e rs t u d yt h ew a s h i n gp i p en o i s em u f f l e ri nt h e e l e c t r i cp o w e rc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e d0 nt h ec h a r a c t e ro ft h ew a s h i n gp i p en o i s e ，t h e h y d r o d y n a m i ca n da c o u s t i ca n a l y s i so ft h ew a s h i n gp i p en o i s em u f f l e ri sm a d eb yu s i n gt h e f l o t r a nf u n c t i o no ft h ea n s y ss o f t w a r e t h ec o n t r o l l i n gp l a no ft h en o i s es o u r c eb yu s i n g t h es m a l lh o l em u f f l e ri sb r o u g h to u t t h em u f f l e fi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s u l to f t h en o i s ee l i m i n a t i o ni sm e a s u r e di nt h es i t e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ew a s h i n g p i p en o i s ei sd e c r e a s e dl a r g e rb yu s i n gt h em u f f l e rd e s i g n e di nt h ep a p e r , a n dt h ee c o n o m i ca n d s o c i a le f f i c i e n c yi sw e l l y i nl i f e n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oy ia n dp r o l w a n gz h a n g q i k e yw o r d s ：w a s h i n gp i p en o i s e ，m u f f l e r ，a c o u s t i c ，h y d r o d y n a m i c ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力建设中冲管噪声消声装置 的分析与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签盔衅日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 晓p 密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章前言 随着我国国民经济的迅猛发展，对能源的需求又迎来一个新的高潮。电能以其 方便快捷的优点在诸多能源中脱颖而出，电力在生产生活中发挥着越来越重要的作 用，因此电力建设又迎来一个高峰期，其建设发展速度的快慢也必将影响到其它行 业的发展影响着整个国民经济的稳定、持续、健康发展。 目前，我国的电力行业仍以火力发电为主，在火力发电项目建设施工中，锅炉 冲管在工艺上是不可避免的，其作用是将过热器、主蒸汽管道、冷段管道、再热器、 热段管道等高压蒸汽经过的管道、设备进行高温高压冲洗，保持系统内部的相对干 净，营造蒸汽通道相应的工作氛围，冲管工艺是必不可少的。然而，冲管工艺流程 末端高压蒸汽排空产生巨大的噪声，造成相当大的噪声污染。 噪声是指声强和频率的变化都无规律、杂乱无章的声音。噪声是一种环境污染， 对人们的生活和生成都存在危害，严重的噪声污染可以对人体造成严重危害，人们 在较强噪声环境中工作，感到刺耳难受，久了就会产生听觉迟钝，甚至导致噪声性 耳聋。在强烈的噪声环境下会引起听觉器官发生急性外伤。中等强度噪声就已影响 中枢神经系统，使大脑皮层的兴奋和抑制的平衡失调，导致条件反射异常，不能集 中思考问题，加速疲劳，降低劳动生产率，甚至导致工伤事故。噪声还可能导致消 化不良，食欲不振，并使植物性神经紊乱，导致冠心病、动脉硬化等心血管疾病的 发生。此外，特强噪声还会损害建筑物和仪器设备。 据山东电建一公司几十年来的施工经验，冲管过程排空时，排气点周围方圆 3 - 5 k i n 内有明显影响，例如办公电话交谈、会议、学校授课、机关办公甚至于面对 面交谈都不能进行等，还有报告施工工地周围的奶牛养殖业户、蛋鸡养殖业户的产 量在冲管期间和之后的相当一段时间均受到较大影响，严重的影响居民生活、工业 生产、医院学校正常运转、养殖业产量等。冲管噪声问题成为环境保护的大敌，电 建公司也成为各施工地区地方环境保护部门的重点监控对象。 目前环境噪声已成为一种重要公害，是当今全球性的主要环境污染之一。噪声 污染的治理已成为国内外环境保护工作的重要内容。控制噪声污染是全球范围内亟 待解决的环境问题。因此，针对电力建设实际问题，研究如何通过有效措施降低冲 管噪声具有切实的社会效益和经济效益。 目前，环境保护要求日益提高，噪声控制是现代环境科学中一个重要学科。对 噪声进行控制，是指在允许的经济和工艺条件下，通过技术措施，把噪声降低到人 们所满意的水平。 华北电力大学硕士学位论文 噪声造成对人类的危害，必须经历如下过程，即噪声源一中间传播途径一接受 者。控制噪声的基本途径，就是降低声源噪声、控制噪声的传播途径和对接收者采 取防护措施等三个方面。降低声源噪声，是控制噪声最根本、最直接和最有效措施。 控制噪声的传播途径是多年行之有效的、传统的降噪措施。属于这方面的措施有； 吸声降噪、隔声降噪、消声降噪、减振降噪、阻尼降噪等。在某些情况下难以采用 上述降噪措施，或虽采用了一定降噪措施后，噪声强度仍远大于容许的标准时，可 考虑采取个人防护措施。如使用防声耳塞、防声棉、耳罩、和帽盔等。由于这些防 护物的隔声作用，可以减少传入人耳的噪声强度。 目前，锅炉冲管噪声治理，基本上都是构筑或依靠现有隔离设施有限隔离噪声 或者冲管管路末端加装使用简易的消声器等方法进行有限度的降低噪声，这些方法 当然在一定程度上也起到降低噪声、减少或缩小影响范围的作用，但不能从根本上 有效解决噪声源的控制，也不能从根本上解决噪声扰民的问题。 采用加入隔离设施的方法进行噪声隔离实际上就是简单的用构筑物进行声音 隔离，但是这种方法由于是被动措施而不是从振动源即噪声源头进行控制，同时也 没有考虑或者说无力去考虑声音传播特性，所以注定只能很有限度地隔离或改变声 音传播方向，这一方法只是早期的降噪措施。 冲管管路末端加装简易的消声器是近几年来部分电力建设施工企业自己摸索出 来的方法，消声器目前已经大量应用于汽车、摩托车的降噪【1 ，2 ，3 1 ，但详细研究锅炉 冲管噪声消声装置的文献未见报道。传统的排气消声器设计主要根据一维平面波理 论【2 】，但该理论难以正确模拟三维空间效应等实际因素的影响，计算结果不准确。 随着计算机的发展，数值分析在各个领域都取得了重大进展，已达到了较实用的阶 段，文献 4 】采用三维有限元方法研究了内燃机排气消声器的性能，文献【5 】研究了 考虑三维特性的膨胀室消声器，文献 6 】对汽车排气消声器内部流场和声场进行了数 值分析，文献【7 ，8 ，9 ，1 0 对直通穿孔管消声器声学性能进行了计算及分析。目前 已经有学者分别对消声器的声场和流场分别进行了数值分析并得到了有价值的结 论【m 1 2 f1 3 蠊1 6 1 。一维频域和时域方法虽已被应用于预测直通穿孔管消声器的消 声性制1 0 1 ，小孔消声器在电力系统已经有所应用2 0 2 1 2 2 ，2 3 1 ，但对小孔消声器的 声场和流场进行有限元分析的文献很少。 针对锅炉冲管噪声的特点，本文提出采用小孔消声装置进行噪声源的控制，小 孔消声装置是通过压力蒸汽进入消声器后的扩容、分压减压，从而降低了最终排气 口的蒸汽压力，达到降低噪声的目的。 1 2 本文工作 本文提出在锅炉冲管末端加装小孔消声装置，从而控制锅炉冲管噪声，达到降 华北电力大学硕士学位论文 低噪声、保护环境的目的。考虑锅炉冲管消声装置的消声效果与消声装置的结构特 性，如开孔的大小、位置、布置形式等参数密切相关，本文通过流体动力学、声学 分析对消声装置进行分析，从而对消声装置进行设计。将设计的消声器用于生产实 践，并在现场实际测量消声效果。本文的主要工作如下： 1 利用有限元分析软件a n s y s 的计算流体力学模块对电力建设中冲管噪声消 声装置进行流体动力学分析。 2 利用有限元分析软件a n s y s 的计算流体力学模块对电力建设中冲管噪声消 声装置进行声学分析。 3 研究目前排汽消声装置的特点，提出适用于电力建设中降低锅炉冲管噪声 的消声装置。 4 在现场对消声装置的消声效果进行测试。 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉冲管消声装置的流体动力学和声学分析 消声装置是安装在设备进、排汽系统中或汽流通道上降低噪声的装置，它既能 允许气流顺利通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播。一个合适的消声器，可 以使气流噪声降低2 0 4 0 d b ，相应响度降低7 5 9 3 1 2 4 1 ，因此在噪声控制工程 中得到了广泛的应用。 2 1 消声装置分类 消声装置具有很多种类，其结构形式也各不相同。根据消声装置的消声原理和 结构不同，大致可将消声器分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和有 源消声器等【2 4 2 5 1 。 1 阻性消声器 阻性消声器是一种吸收型消声器，利用声波在吸声材料中传播时，因摩擦将声 能转化为热能而消耗掉，从而达到消声的目的。这种消声器的有效频带较宽，对中 高频噪声的消声效果较好。缺点是吸声材料在高温侵蚀性气体中使用寿命短，低频 噪声效果较差，实际消声量的大小与噪声频率有关，存在上限失效频率等。 阻性消声器按气流通道的几何形状不同，又分为直管式、片式、蜂窝式、折板 式、盘式、弯头式消声器等。其中，片式消声器应用最为广泛；而弯头式消声器在 国外已经得到广泛应用，以前国内对它重视不够，发展相对比较缓慢。 2 抗性消声器 抗性消声器与阻性消声器不同，它不使用吸声材料，是借助管道截面的突然扩 张和收缩，或旁接共振腔，使沿管道传播的噪声在突变处向声源反射回去，而不通 过消声器，从而达到消声的目的。按其消声原理又可分为干涉型、共振型和扩张型 等。这类消声器构造简单，耐高温和气体侵蚀，但频率选择性较强，适用于窄带噪 声和中低频噪声的控制，高频噪声消声效果较差，与阻性消声器相比，阻力损失较 大。在工程实际中，为了改善单个扩张室式消声器消声性能，通常将多个单节扩张 室消声器串联起来。对于共振式消声器，除了串联不同频率的共振腔外，还可在共 振腔中填充一些吸声材料以增加声阻，使有效消声的频率范围展宽。此外，气体流 动对消声器性能也有一定的影响。对于不同结构形式的消声器，气体流动影响声学 性能的效果不同，如：单端插入结构对抑制中低频气流再生噪声效果较好，而插入 共振和典型空腔两个结构的中低频再生噪声较大。如何使抗性消声器自身的声学性 能好而气流再生噪声较小，是需要进一步研究解决的课题之一【2 6 1 。 3 阻抗复合消声器 在实际噪声控制工程中，噪声以宽频带居多，通常将阻性和抗性两种结构消声 4 华北电力大学硕士学位论文 器组合起来使用，以控制高强度的宽频带噪声【2 7 1 。常用的形式有阻性扩张室复 合式、阻性共振腔复合式和阻性扩张室共振腔复合式等。 4 有源消声器 对于一个待消除的声波，人为的产生一个幅值相同而相位相反的声波，使它们 在一定空间区域内相互干涉而抵消，从而达到在该区域消除噪声的目的，这种消声 装置叫做有源消声器。由于外加的声波往往需要借助电声技术产生，因此此种消声 器通常也被称为电子消声器。目前，诸多研究人员重点研究消声器内部声场和流场 的分布，并设计可变结构参数消声器，将声学有限元和声学边界元用于消声器结构 参数的优化设计中。 2 2 影响消声器性能的若干因素 对于实际工程中使用的消声器，能否达到设计时所设定的消声指标，还要受到 实际使用环境的影响。 1 气流对消声器性能的影响。气流速度对消声器性能的影响主要表现在两方 面：一是气流的存在会引起声传播规律的变化；二是气流在消声器内产生一种附加 噪声再生噪声。 2 消声器结构对其性能的影响。一般来说，好的消声器应具有很好的声学性 能和空气动力性能，同时应该结构简单、使用方便，坚固耐用、使用寿命长、维护 简单和造价低等特点。因此，在设计消声器时要特别注意消声器结构对其消声性能 的影响。 3 不同安装对消声器性能的影响。同样一个消声器，安装位置不同，降噪效 果不同，一般排气口消声器宜靠近排气口安装。除了以上因素外，消声器的具体消 声性能还受到气流温度、气流含尘量等诸多因素的影响。因此，在设计消声器时， 需要根据消声器的实际使用环境有针对性地进行设计。 2 3 消声器的性能评价 消声器的性能评价主要采用三项指标：声学性能、空气动力性能和结构性能。 其中消声器的消声量是评价其声学性能的重要指标。测量方法不同，所得消声量也 不同。当消声器内没有气流通过而仅有声音通过时，测得的消声量称为静态消声量， 当有声音和气流同时通过时，测得的消声量称为动态消声量。 目前一般有四种方法表示消声器的消声量，即：传递损失花、末端降噪量胍 插入损失皿和声衰减量虬。在这四种表征消声器消声量的方法中，最常用的是插 入损失尼和传递损失尼。 插入损失儿为管道系统装置中，系统安装和不安装消声器前后在排气管出口附 5 华北电力大学硕士学位论文 近同一侧点处所测量的声功率级之差，它反映了包含整个排气系统在内的实际消声 效果。传递损失化为管道系统中，向消声器进口一端入射的声能与自消声器出口 一端透射出去的声能的相对比值。即：消声器进口的噪声声功率级与消声器出口的 噪声声功率级的差值，它仅反映消声器本身的消声特性。本文在后面的分析中，采 用传递损失作为消声器的评价参量。 2 3 1 消声器的四端子参数【2 8 1 图2 - 1 为一个包含了消声器的排汽系统模型。如果消声器性能用四端网络传递 矩阵r = 三三 来表示，则在尚未深入研究噪声声源特性的前提下，常将其作为恒 压声源或恒速声源。这样，图2 - 1 的排汽系统模型就可以模拟成图2 - 2 所示的四端 网络等效模型。 消声器 图2 - 1 排汽系统模型 消声器 辫 ab 燕。 cd ( a ) 压力源模型 消声器 碍 d b i 互0 珐 cd ( b ) 速度源模型 图2 2 排汽系统等效模型 6 乙 华北电力大学硕士学位论文 图中：z 为消声器出口的辐射声阻抗率，z 为冲管噪声的源阻抗率，只为压力 源，圯为速度源。在等效电路中，声压尸模拟成电压，声体积速度模拟成电流。 a 、b 、c 、d 为整个管道系统的四端子参数。 四端网络法即传递矩阵法，如果在管道中仅存在轴向行进的平面声波，那么任 一截面的声学状态都可以用两个声学参量来描述，即：声压尸和声体积速度仉任 一系统两端的声学状态参量都存在某种线性关系，该线性关系取决于系统本身的传 递特性。因此计算消声器的消声，需要求解包括声源及消声器出口辐射情况在内的 传递矩阵参数，其等效物理模型如图2 3 所示。 捎声器 由传递矩阵法可得： ( 州考凇 州象 沼- ， 由( 2 - 1 ) 可得： p l 、p 2 分别为消声器入口端和出口端的声压； u 、分别为消声器入口端和出口端的声体积速度； 彳：到出口断开时的传递系数； p 2 l “卸 肚刮。一出口短路时的传递阻抗； c ：到出口断开时的传递系数； p 2 i 。o 肚刮。一出口短路时的传递系数。 2 3 2 排气消声器的插入损失( 儿) 根据消声器插入损失的定义，为获得消声器的插入损失( 皿) ，可以用一段等长 7 华北电力大学硕士学位论文 的直管代替消声器，并设管道系统在消声器装置的四端子参数分别为a 、b 、c 、d 和a 、b 、c 、d ，管道尾管的声辐射声阻为见那么利用消声器传递矩阵法可以得到： j p l2 2 2 + 聊1 ( 2 - 2 ) 【p c v i = 2 + d , t z v 2 式中：圪、一分别为消声器入口和出口的质点速度 p 卜为特征阻抗率，砌密度，f 为声速 又因为： 旦= 乙旦= z r ( 2 3 ) y ly 2 进一步由式( 2 - 2 ) 可以得到： p 22 而p i z e ( 2 4 ) 未安装消音器时，自管口辐射的声功l 率为： w = 胄限1 2 ( 2 5 ) 安装消声器时，自管口辐射的声功率为： w = 五i u ：1 2 ( 2 6 ) 这样根据插入损失的定义，可得到消声器压力源模型或速度源模型的插入损失， 其表达式为： l ：1 0 1 9 里：2 0 。彤 在工程买际厦用甲，对历的处理司以归纳为以p 儿种： 1 ) 从压力源模型出发，认为z 约等于零，则可以 儿= 2 叭e 隆a z , + + b b , 匆o cl 2 ) 从速度源模型出发，认为z 无穷大，则 i l = 2 0 1 【g i 瓦c z 了, + d 到p c 3 ) 认为互* p c ，则： 啪等锄- 老篇锱 ( 2 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 消声器的传递损失( t l ) 由传递损失的定义，讨论记时，消声器的出口端假设不存在声反射。若消声 器进出口管道截面积均为舅消声器本体的四端子参数为爿、夙历则，由图( 2 - 3 ) 知： 皓罡匀( 纠 协s ， 又因为： p 1 = 西+ p l ，2 = 雳 阱= 嘉，町= 嚣，叼= 嘉 式中：西、p i 消声器进口端入射波、反射波的声压值； w、昕消声器出1 ：3 端入射波、反射波的声体积速度值； 虎、百消声器的出1 ：3 透射波的声压值、声体积速度值。 因此可得： u 1 b 一，s ) 心= s ) 联立可以得到： 互：三f 4 + d + 一p c c + s o 占1 ( 2 - 9 ) 巧2 ls o肛j 这样，消声器的传递损失计算表达式为： 肚埘s 筹锄唔 蚴- s * 一蛋c + 瓦s o 占) ) ( 2 1 0 ) 由上述消声器的插入损失和传递损失计算公式的推导可知：对于插入损失，只 要知道管道系统的声源特性和负载特性，求出爪及口四端子参数就能方便的 求出。而对于传递损失则只要知道四端子参数就能求出。在有限元法求解声场时， 四端子参数实质是有限元模型的边界条件。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 声场有限元方程 为了研究消声器的性能，首先应研究消声器的空气动力性能，研究流体流动 问题的方法有理论解析法、实际实验法和数值分析法三种基本方法。理论解析法 是以具备流动过程模型方程为前提的，其基本过程为建立具体模型方程，提出初 始条件或边界条件，然后用数学工具求得模型方程的精确的或近似的解析解，此 方法只适用于简单模型，实际流动过程的模型方程多为复杂的非线性微分方程， 许多问题得不到理论解析结果；实际实验法是研究流体流动的基本方法1 3 1 】，对于 目前没有适合的数学模型描述的过程，实验测试是唯一的研究手段，但实验研究 很难实现对其流动状况的详细试验研究，而且此方法成本高，而且在实际产品的 开发中会造成成本高，产品定型时间长等缺点；数值模拟是具备合适的模型方程 为前提的，由于有关流动的n s 方程、能量微分方程等早已建立，而计算机的迅 速发展和计算方法的不断成熟又为大型数值计算提供了有效手段，从而使数值模 拟成为研究流体流动的主要方法之一。数值模拟的高精度也大大降低了试验研究 的工作量。数值模拟方法主要有以下特点： ( 1 ) 成本低，对于实验和数值模拟都能解决的问题，数值模拟的成本往往要低 几个数量级，而且随着计算机的发展，数值模拟的成本还将降低，相反实验研究 的成本则会上升。 ( 2 ) 效率高，只要模型建立完成，对数值模拟而言，改变工况是非常简单的事 情，而实验研究工况的改变是要花费大量的时间的，因此数值模拟能在短时间内 进行多个工况的模拟计算，并通过比较确定优化工况。 ( 3 ) 得到的信息全面，数值模拟几乎没有达不到的流场位置，可提供全流场的 信息，且不会出现传感器等干扰流场的问题。 ( 4 ) 具有模拟真实条件的能力，数值模拟具有放大性，不受工况环境的影响。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离 散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元 法。 本章将使用a n s y s 有限元分析软件对阻性消声器内部流场的流体流动情况 进行数值模拟。得到阻性消声器内部气流流速的分布情况及其动态阻力损失的分 布规律。 目前一般认为近似于轴对称结构的消声器按二维模型来描述其内部声场分布 已经足够精确了【2 】【3 4 1 。本文设计的消声装置近似于轴对称结构，因此本文采用二 维模型来进行求解。 在声场的流固耦合问题中，要把结构的动力方程与流体斯托克斯方程中的动 量方程和连续性方程综合考虑。声学基本方程是在气体作为特殊流体条件下流体 1 0 华北电力大学硕士学位论文 方程的简化。 在不改变问题性质的前提下，作如下假设： 1 ) 流体是可压缩的，即密度随压力变化而变化。 2 ) 媒质为理想流体，即媒质不存在粘滞性，声波在其传播时没有能量的损耗， 流体没有扰动和紊流。 3 ) 声传播是一个绝热过程。 4 ) 媒质的静态压强p o 和静态密度邱都是常数。 二维波动方程的第三边值问题为 害+ 磐= 吉鲁 在q 内( 2 - - 1 1 a y ， 良2 。2c 2 研2 ” 7 式中，r 介质中声传播速度置，风 岛流体的平均密度； k 流体的体积模量； p 声压： p 一时间。 令p = p ( x ，y ) e ”，通过分离变量法，( 2 - - 1 1 ) 式可以转换为声压幅值p ( x ，y ) 的方 程： v 2 p + k 2 p = 0 在q内(2-12) 式柑= 等+ 萨9 2 ，k = w c , 对求解区域进行划分，并对方程( 2 - 1 1 ) 进行离散化，通过变分运算可以得到 单元矩阵。 f c 吉章毛施+ f 【( d 7 印) ( 三) p ) d q = f n 广4 v ( l p ) a s ( 2 一1 3 ) 式中，口为积分区域，印为声压的变分，s 为积分区域的边界， 玎) 为界面的单 位法向量。 在声固耦合界面的有限元分析问题中，假定流体的动量方程中法向声压梯度与 结构的法向加速度在界面处存在如下关系： 铆一p o l 甩) 挚 ( 2 - 1 4 ) 式中， 越) 为结构在界面处的位移向量。 代入( 2 - - 1 3 ) 式可得： 一 堡i ! 皇查盔堂堡主堂垡笙塞 砉昂；擒+ ( d 7 勿) ( d p ) d n = f 风审( 一) 7 ( 导扣) ) 窗( 2 - - 1 5 ) 将单元中的声压p ，结构位移 ) 写成节点值的插值形式，即 p = ) 7 见 ( 2 - - 1 6 ) “= ) 7 札) ( 2 - - 1 7 ) 其中， 忉为声压形函数， ) 为位移的形函数， 见) 为节点声压向量，伽。 为 节点的位移向量。 声压和位移对时间的二阶导数及声压的交分可以表示为： 百0：p：)7碱(2-18)0t 2p i ，j 7 a 2 ：u _ _ 2 ： ，) 7 跳) (2-19)ot 2 、一 7 印= ) 7 印。 ( 2 - - 2 0 ) 将上述各式代入( 2 - - 1 5 ) 式，可得： 璺吉艿饥九) 研7 地p c ) + ( 审，嘲7 吲m 娩) +( 2 2 1 ) f 风妇。) 7 ( ) ( ) 7 ，) 7 嚣 。) = o 式中，【明= 工) ) r ， n 为流体边界向量。 考虑到变分昂。)的任意性，可得：1 方住 ) ) 7 施 j i 。 + 【明7 【b 】锄 p 。) + 风l ) 似7 ) 7 舔他 = o ( 2 - - 2 2 ) 写成矩阵的形式，可以得到单元的声波方程： 【材? p 。) 十【k ? 】 p 。) + 【r 。】 百。) = 0 ( 2 - - 2 3 ) 其中，声场流体的质量矩阵【蟛】= 去旺 ) ) 7 姬，声场流体的刚度矩阵 【j 醪1 = 陋r 陋 2 ，流固耦舍界面的质量矩阵【r 。】= 风l ) 吩7 ( ) 7 d _ s 。 对单元的声波方程进行组集可以得到结构的声波有限元方程： 【肘】 多 + 置 f + 陴】 舀) = 0( 2 - - 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 5 消声装置的流体动力学分析 本节运用a n s y s 软件对消声装置内部汽体流场进行有限元仿真分析，分析内 部压力分布及流速变化情况，为结构优化提供指导。 其主要步骤如图：r 。1 i 建立几何模型 山 定义单元类型 l t 定义实常数 i t 定义材料特陛 山 i 模型剖分l 图2 - 4 应用有限元法进行分析的基本过程 计算流体力学( c f d ) 是用于分析复杂流体流动的计算方法，a n s y s 软件提供了 f l o t r a n c f d 分析模块，可以进行二维和三维流体流场的有限元分析，可以包括 不可压缩或可压缩流体、层流或紊流、牛顿或非牛顿流体等功能。层流中的速度场 是平滑而有序的，粘性高流体的低速流动通常是层流，紊流分析用于流速足够高粘 性足够低从而引起紊流波动的流体流动；流体的密度在流动过程中保持不变或当流 体压缩时只消耗很少的能量，则该流体认为是不可压缩的。a n s y s f l o t r a n 模 块可以完成声学分析、容器内部流体分析、流体动力学耦合分析。 应用a n s y s 进行消声装置流体动力学分析的主要步骤【4 0 “1 】： ( 1 ) 确定分析问题的模型区域：在应用有限元方法分析问题时，必须确定分析问 1 3 华北电力大学硕士学位论文 题的明确的范围，将问题的边界设置在条件己知或容易确定的地方。 ( 2 ) 确定流体的状态：即确定流体性质、几何边界以及流场的速度幅值，流体是 层流还是紊流，是否可压缩。 ( 3 ) 定义单元类型：本文将消声装置的流体动力学分析简化为二维模型，因此采 用2 d f l o t r a n l 4 1 ( f l u i d l 4 1 ) 单元。 f l u i d l 4 l 单元可用来解决流体范围内及非流体范围内的瞬态或稳态流体结构 模型系统。粘性流动和能量的守恒方程流体范围之内满足，而在非流体范围内只满 足能量方程。用f l o t r a nc d f 单元可以求解流动和温度分布。 对于f l o t r a nc d f 单元，速度由动量原理得到；压力由广义质量守恒定律得 到，如果考虑温度的话，它由能量守恒定律得到。流体问题是一个非线性的控制方 程。 f l u i d l 4 1 单元的自由度为速度，压力和温度。如果要计算任意的紊流模型， 还需要两个紊流量：紊流动能和紊流衰减速率。在轴对称模型中，可以计算在z 方 向上的涡流速率，同时可以解决在边界上的特定的涡流。 在f l u i d l 4 1 单元中，系统的自由度是速度，压力，温度，紊流动能和紊流衰 减率。其材料特性为：密度，速度，热传导率，特定的加热温度。它的特性为：非 线性；六维紊流模型：可压缩或不可压缩算法；瞬态或稳态算法；旋转或固定坐标 系；f l o t r a n 的数值解；任意的分布阻抗及扇形模型；它可以输出的结果为卫e z 方向的速度及位移，相应的压力，温度分布，压力系数等。 ( 4 ) 划分有限元网格：a n s y s 提供强大的有限元网格剖分工具，可以实现一维、 二维、三维网格的自动剖分，并可以根据结构特点自动进行过渡。消声装置网格划 分如图2 5 所示。 ( 5 ) 旄加边界条件：边界条件的确定直接影响有限元分析结果是否正确合理， 在消声装置的入口定义流体流速为2 4 5 7 m s ，流体与消声装置的内壁接触的节点定 义节点的速度为0 ，以固定流场边界，定义消声装置出口处的压力值为0 。 ( 6 ) 定义分析类型和求解参数 定义流体的物理属性，设定流体密度为1 9 2 7 极州3 ，温度为3 5 0 0 c ；设置求解 控制选项，打开湍流模型，设定反复次数为4 0 次。 ( 7 ) 求解。观察求解过程中相关变量的改变情况，估计解的收敛性和稳定性，一 般一个分析过程需要多次重启动，迭代过程如图2 - 6 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 5消声装置流体动力学分析有限元网格模型 图2 - 6 迭代过程 ( 8 ) 结果后处理 读入求解结果后，得到消声装置流场的流体速度矢量图和压力分布图，如图2 - 7 华北电力大学硕士学位论文 和图2 - 8 所示。 图2 7 消声装置流体速度图 图2 - 8 。消声装置小孔管部分流体速度图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 9 消声装置出口流速沿出口半径的分布规律 图2 - 9 为消声装置出口流速沿出口半径的分布规律，从图中可以看出，出口各 处的流体流速不是均匀分布，中间部分流速较大，而靠近管壁处流体的流速较小。 从2 1 0 图中可以看出，消声装置小孔管末端湍流增强，在消声装置内部小孔 管的末端有较明显的压力变化，这是由于气流与小孔管的内壁相互摩擦和截面突变 造成的，截面发生变化，使气流速度发生突变，形成漩涡和流体相互碰撞，进一步 加剧了流体质点的相互摩擦，从而使得小孔管处的压力分布极其复杂。 图2 1 0 消声装置压力分布等值线图 1 7 华北电力大学硕士学位论文 2 6 消声装置的声场分析 为了评价消声装置的消声性能，本节采用a n s y s 对消声装置进行声场分析，其 分析过程包括3 个主要步骤： 1 ) 前处理( 即有限元建模) 主要包括单元类型选择、材料参数确定、几何建模、单元剖分等操作，建立锅 炉冲管噪声消声装置声场分析的有限元模型，如图2 一1 1 所示。 在a n s y s 进行声场分析中，在消声装置出口管处以半圆面表示无限远处的声场 边界。圆面半径的大小如下式： ，= d 2 + 五( 2 - 2 5 ) 式中：卜消声器扩张室直径； z 声压的主波长，五= 引厂； r 声波的传播速度 产一声波频率 图2 1 1 锅炉冲管噪声消声装置声场分析的有限元模型 在单元选择上，对于结构单元，采用平面p l a n f a 2 单元：对于声学单元，在结 构与流体耦合处，采用f l u i d 2 9 的s t r u c t u r ea b s e n t 类型，在仅有流体存在的空间 采用f l u i d 2 9 的s t r u c t u r ep r e s e n t 类型。由于声波是向无穷远处传播的，所以采 华北电力大学硕士学位论文 用f l u i d l 2 9 单元建立声波的环形边界。 f l u i d 2 9 单元用来解决流体介质和流固耦合结构问题。典型的应用为声音的传 播问题和水下建筑物动力学。其控制方程为声学方程，称之为二维波动方程，并且 考虑声压和结构运动内部认为他们是相互分离的。单元由四个单元节点，并且在每 个节点上有三个自由度：置】，方向的相对位移和压力值，并且，只有在内部结构 单元中有相对的位移。 f l u i d 2 9 单元可以解决具有消声材料的声音阻尼器。它同时可以解决非对称二 维消声器的谐波响应和进行瞬态响应分析。当结构没有位移时，同时可以进行稳态 的衰减的谐波响应分析。当结构单元与旁边的其它类型结构单元相接触时，用 e l e m e n ta b s e n t 类型，当其结构单元与其同种结构单元类型相一致时，用e l e m e n t p r e s e n c e 类型。 f l u i d 2 9 单元的自由度为五j ，方向的位移和压力。其材料特性为密度，声速， 声阻。它需要施加的载荷为温度，阻抗。它的输出量为：声压分布，温度分布，压 力梯度及其矢量和，声压值，流速及其矢量和。 f l u i d l 2 9 单元必须与f l u i d 2 9 单元配合使用。它用于f l u i d 2 9 模型中的边界 条件的扩展。它假设在流体领域中的吸声情况的影响，这样在有限的区域范围内假 设无限的边界。f l u i d l 2 9 假设n - 次命令吸声边界条件，这样输出压力波到达这个 边界时，在有限的流体范围内达到了最小值。这个单元可以用于2 维流体范围内( 轴 对称模型以及平面模型) ，例如线性单元。它每一个单元有两个节点，在每一个节 点上有一个压力自由度。典型的应用包括结构声学，噪音控制，水下声学问题等。 它需要输入的参数为声速。它输出的结果只包括压力值。 在使用f l u i d l 2 9 单元时，需要注意它只能用于圆形边界来模拟无穷远。 本文分析的消声装置的材料特性参数：结构单元：其密度p 为7 8 0 0 k g m ， 弹性模量f 为2 1 1 0 9 p a ；声学单元：流体的密度p 为1 9 2 7 堙m 3 ，流体的声 速矿为1 4 6 0 m s ，并设定基准声压值为2 1 0 5 p a 。 2 ) 加载和求解 利用a n s y s 的求解程序s o l u t i o n ，首先定义分析类型为谐波响应分析，然后在 消声器入口处加载入口声压值为1 ，并固定结构单元的自由度，最后定义选频率范 围为0 3 0 0 0 h z ，载荷步值取4 0 ，激活有限元单元求解器进行求解。 3 ) 结果后处理 利用通用后处理器g e n e r a lp o s tp r o c e s s o r 可得到该消声器相应的输出量，包 括消声器内部各节点的声压、声压级等。对其进行声场分析后，得到声压级分布图 如图2 一1 2 至图2 - 1 5 所示。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 2 频率为5 0 0 h z 时消声装置声压分布 图2 - 1 3 频率为1 5 0 0 h z 时消声装置声压分布 2 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 一1 4 频率为2 0 0 0 h z 时消声装置声压分布 图2 - 1 5 频率为3 0 0 0 h z 时消声装置声压分布 2 i 华北电力大学硕士学位论文 出口处节点4 4 0 6 在各个频率的声压值如下表所示。 表2 1 各频率下出口点的声压值 频率( h z )声压( p a ) 频率( h z ) 声压( p a ) 3 0 0 0 0 0 4 3 7 2 8 7 e 一0 11 5 3 0 0 0 1 7 8 9 3 6 0 0 0 00 4 1 8 5 3 2 e 一0 11 5 6 0 00 2 3 6 3 3 6 9 0 0 0 0 0 3 8 8 8 5 8 e 一0 11 5 9 0 0 0 2 3 8 8 9 8 1 2 0 0 00 2 0 4 4 18 e 0 11 6 2 0 00 2 8 7 2 2 7 1 5 0 o oo 2 4 8 2 2 9 e 0 11 6 5 0 00 1 2 2 3 8 5 1 8 0 0 0o 2 18 6 7 1 e ，0 11 6 8 0 00 4 6 7 2 6 0 2 1 0 0 00 1 7 6 1 5 0 e - 0 11 7 1 0 00 3 8 5 7 8 5 2 4 0 o o0 6 4 3 4 1 4 e 0 11 7 4 0 00 2 6 2 3 2 1 2 7 0 o o0 6 4 8 6 5 9 e 0 11 7 7 0 00 1 9 0 0 0 9 3 0 0 o o0 5 4 2 9 4 0 e 0 11 8 0 0 00 4 0 3 7 2 8 3 3 0 0 00 4 0 4 1 4 4 e 0 11 8 3 0 00 3 6 6 6 3 0 3 6 0 0 00 3 6 0 4 7 4 e 0 11 8 6 0 00 2 5 2 7 6 0 3 9 0 o oo 1 9 5 8 7 61 8 9 0 00 3 6 8 3 8 9 4 2 0 o oo 2 3 6 4 8 3 1 9 2 0 00 3 5 8 8 0 7 4 5 0 o o0 3 5 7 9 0 11 9 5 0 00 4 h 4 7 3 5 7 4 8 0 0 00 4 2 8 4 5 21 9 8 0 00 2 8 3 4 6 7 5 1 0 0 00 4 5 0 5 2 8 2 0 1 0 0 0 4 6 3 3 4 8 5 4 0 o o0 1 7 7 9 3 52 0 4 0 00 3 6 5 7 9 9 5 7 0 0 0o 1 6 1 6 8 52 0 7 0 00 2 8 9 9 7 8 6 0 0 o o0 1 2 3 8 2 22 1 0 0 00 1 0 5 6 3 0 0 00 2 3 9 0 112 1 3 0 00 1 8 4 9 4 5 6 6 0 0 00 3 1 4 8 8 12 1 6 0 00 2 6 8 1 9 3 6 9 0 o o0 5 0 3 6 9 42 1 9 0 00 4 2 8 4 9 5 7 2 0 o o0 2 5 8 3 4 42 2 2 0 00 4 7 5 5 5 6 7 5 0 0 0o 1 0 3 5 2 92 2 5 0 00 2 8 8 2 8 6 7 8 0 0 0o 1 0 1 7 1 52 2 8 0 00 3 6 8 9 8 8 1 0 o o0 4 2 6 8 3 6 e 0 12 3 1 0 o0 4 8 1 2 1 5 8 4 0 o o0 4 8 2 4 6 42 3 4 0 0 0 1 4 8 1 8 7 0 o o0 5 2 5 2 9 9 2 3 7 0 00 8 8 0 4 2 9 e 0 1 9 0 0 0 00 4 7 6 6 2 02 4 0 0 00 4 0 5 4 7 9 9 3 0 0 00 1 6 4 2 9 82 4 3 0 00 4 6 0 4 7 3 9 6 0 o o0 2 2 4 3 8 62 4 6 0 00 5 3 5 6 9 9 9 0 o oo 2 1 5 2 8 3 2 4 9 0 0 0 2 7 5 8 7 9 华北电力大学硕士学位论文 1 0 2 0 00 5 3 9 1 0 12 5 2 0 00 5 0 9 6 2 1 0 5 0 00 3 6 6 6 1 62 5 5 0 0o 1 6 9 9 4 1 0 8 0 0o 1 5 2 7 9 5 2 5 8 0 00 2 5 3 8 1 5 1 1 1 0 oo 1 9 1 9 1 8 2 6 1 0 0 0 4 9 2 8 9 2 1 1 4 0 0 0 9 8 8 8 5 3 e 0 1 2 6 4 0 0 0 5 5 7 5 0 8 1 1 7 0 00 2 8 5 8 0 52 6 7 0 00 5 3 0 5 5 4 1 2 0 0 00 1 2 7 1 62 7 0 0 0o 3 1 5 4 0 1 2 3 0 00 6 1 2 0 3